Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002 ISSN 1513-7805 Printed in Thailand
ของไหลเชงแสงกบการพฒนาเทคโนโลยแผนใหม
Optofluidics and modern technology development
ณฐพร สวรรณพยคฆ1* ชาต ทฆะ2 และ คทาวธ กลศรรตน3
Nathaporn Suwanpayak1*, Chat Teeka2 and Kathawut Kulsirirat3 1ภาควชาวทยาศาสตรทวไป สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลาเจาคณทหารลาดกระบง วทยาเขตชมพรเขตรอดมศกด อาเภอปะทว
จงหวดชมพร 86160 1Department of General Science, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Pathiu, Prince of Chumphon Campus,
Chumphon 86160 2ภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตรและเทคโนโลย มหาวทยาลยสวนดสต บางพลด กรงเทพมหานคร 10700 2Department of Physics, Faculty of Science and Technology, Suan Dusit University, Bangphlat, Bangkok 10700 3ภาควชาวทยาศาสตรทวไป คณะครศาสตร มหาวทยาลยราชภฏราชนครนทร อาเภอบางคลา จงหวดฉะเชงเทรา 24110 3Department of General Science, Faculty of Education, Rajabhat Rajanagarindra University, Bangkhla, Chachoengsao 24110
*E-mail: [email protected]
Received: 14/09/2017; Accepted: 14/11/2017
บทคดยอ ของไหลเชงแสงเปนศาสตรทบรณาการกนระหวางของไหลและแสงบนหลกการของของไหลเชงแสงใน
ธรรมชาต สามารถนาไปประยกตและพฒนาในเทคโนโลยหลายดาน ไดแก การนาคณสมบตของของไหลระดบ
จลภาคและแสงมาทางานรวมกนเปนหองปฏบตการบนชพ บทความนอธบายถงการนาของไหลเชงแสงท
ประกอบดวยของไหลและของแขงมาสรางนวตกรรมและเทคโนโลยสมยใหม ดวยคณสมบตทตางกนของไหลและ
ของแขงนจงนามาออกแบบอปกรณของไหลเชงแสงได ของไหลเชงแสงแบงออกเปน 3 กลมหลก คอ ของไหลใน
ของแขง ของไหลในของไหล และสารแขวนลอยทอยในของไหล ปจจบนเทคโนโลยของไหลเชงแสงมการ
ประยกตใชไดหลากหลาย เชน ทางดานการแพทย ดานวศวกรรมชวการแพทย ดานเทคโนโลยชวภาพ และ ดาน
เซนเซอร เปนตน
คาสาคญ: ของไหลเชงแสง, ทอนาคลน, ของไหล
Academic Article
- 92 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
Abstract
Optofluidics is an intigration of microfluidics and optics based on the principles of natural fluid. It
was applied and developed in various technologies, for instance, to combine the characteristics of microfluids and
optics working together to be lab on a chip. This article explained the use of optofluidics which consisting of
fluids and solids to develop the new innovation and modern technology. With the dissimilar properties of fluids
and solids, optofluidics devices, thus, had been designed. Optofluidics was divided into three main groups: fluids
in solids, fluids in fluids, and solids in fluids. Nowaday, optofluidics is applied in various ways, such as, medicine,
biomedical engineering, biotechnology and sensors.
Keywords: optofluidics, waveguide, fluidics
บทนา
ของไหลเชงแสง (optofluidics) คอ ศาสตรผสมระหวางของไหลระดบจลภาค (microfluidics) กบพลงงาน
แสง (photonics) สาหรบสรางหองปฏบตการบนชพ (lab on a chip) โดยอาศยคณสมบตของของไหลและแสงท
ทางานรวมกน Pang et al. (2012) ไดศกษาคณลกษณะของของไหลระดบจลภาคและทศนศาสตรเชงลกจากการ
เลยนแบบของไหลเชงแสงในธรรมชาตไดอยางนาสนใจ นนคอ การดดน าของพชดวยพลงงานแสงเพอทาใหน า
เคลอนททวนแรงโนมถวงของโลกรวมกบออสโมซส (osmosis) การยดตด (adhesion) และการคายน า
(transpiration) ซงเปนกระบวนการหนงของการสงเคราะหดวยแสง (photosynthesis) ในขณะท Psaltis et al. (2016)
ไดศกษาลกษณะของแสงทมผลตอการเบนเขาหาแสงของใบไมบางชนดและการหบของใบเมอไมมแสง เนองจาก
แสงมผลตอการเคลอนยายตาแหนงของสารในเซลล จงทาใหใบสามารถกางเมอไดรบแสงและหบเมอไมโดนแสง
เชนเดยวกบดอกทานตะวนทเบนเขาหาดวงอาทตย ซงกระบวนการทเกดขนทงหมดนเกยวของกบโครงขายทอ
ลาเลยง (vascular network) เนองจากเปนระบบลาเลยงอาหารหลอเลยงสวนตาง ๆ ของใบพชดวย และ Henrik et al.
(2016) ไดศกษาโครงขายทอลาเลยง แลวพบวา ในการขนสงอาหารและน าไปยงเซลลตาง ๆ ของพชนน มความ
ซบซอนตางกนขนอยกบชนดของพช ซงทาใหมการเจรญไดอยางเหมาะสม อยางไรกตามแสงเปนพลงงานหนงทม
ความสาคญตอสงมชวตทกชนดทงทางตรงและทางออม รวมทงการนาสงสญญาณในระบบสอสารแบบตาง ๆ ใน
ปจจบนดวย
เมอศกษายอนกลบไปในป ค.ศ. 1842 Daniel Colladon ไดคนพบวาแสงสามารถโคงไปตามทศทางการ
ไหลของน าทไหลออกจากขวดทเจาะรไว แสดงใหเหนวาน ามคณสมบตเปนทอนาคลน ( w a v e g u i d e ) จงเกด
แนวความคดเรมตนในการศกษาความสมพนธระหวางของน าและแสงเพอหาคณสมบตทเกยวของกน หลงจากนนม
- 93 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
การคนพบทสาคญเปนอยางยงคอการทาใหแสงสามารถหนบจบอนภาคขนาดเลกไดเรยกวา คมหนบเชงแสง
(optical tweezer) ดวยแรงเกรเดยนต (gradient force) และแรงกระเจง (scattering force) ในการทาใหอนภาคหรอ
เซลลเคลอนทไปตามทศทางทตองการไดโดยไมเกดความเสยหาย (Askhin, 1997) ตอมา Flores-Flores et al. (2015)
ไดทาการทดลองเชงคานวณโดยการใหน าอยในทอแกวขนาด 100 µm ทดานหนงของทอแกวเคลอบดวยฟลมบาง
ของซลคอน-อสณฐาน (thin film of amorphous silicon: a-Si:H) สาหรบดดซบความรอนจากเลเซอรทใชในการ
หนบอนภาคระดบจลภาค กาลงแสงนอยกวา 0.8 mW แตเนองจากอนภาคถกหนบในน าซงเปนของไหล จงทาให
เกดแรงลากสโตกสและความรอนจากแสง (stokes drag and thermo-phonophoretic forces) ซงแสดงใหเหนวา
ลาแสงสามารถขบเคลอนอนภาคได โดยไมเกดความเสยหายแกอนภาคหรอเซลลและใชไดกบอนภาคระดบ
ไมโครเมตรจนถงนาโนเมตรได
บทความนนาเสนอหลกการและการพฒนางานวจยดานของไหลเชงแสง ซงเปนศาสตรผสมระหวางแสง
และของไหล โดยประยกตใชในการสรางนวตกรรมและเทคโนโลยสมยใหมทมขนาดเลกลง เพอนาไปใชประโยชน
ในหลากหลายแขนงดวยกน เชน ดานวศวกรรมชวการแพทย (biomedical engineering) (Zhu et al., 2011)
ไบโอเซนเซอร (biosensor) (Liu et al., 2012) การทาเลนสในระดบไมโครและนาโนเมตร (micro-nano lens)
(Kayani et al., 2012) ซงเปนนวตกรรมและเทคโนโลยทนาสนใจในการบรณาการศาสตรหลายดานเขาดวยกนใน
อนาคต
ธรรมชาตของแสง
แสงในธรรมชาตคอคลนแมเหลกไฟฟารปแบบหนงในบรรดาคลนแมเหลกไฟฟาหลากหลายชนด เชน
คลนวทย คลนไมโครเวฟ คลนอนฟราเรด และ รงสเอกซ เปนตน ทมความยาวคลนตางกน และแสงทตามองเหน
(visible light) อยในชวงความยาวคลน 400-700 nm ดงรปท 1 แสดงการเปรยบเทยบสเปกตรมของคลน
แมเหลกไฟฟากบขนาดของโครงสรางในแตละระดบ พชสงเคราะหแสงโดยใชคลนแมเหลกไฟฟาเฉพาะบางความ
ยาวคลนเทานน อยในชวงของแสงทตามองเหนซงมความยาวคลนประมาณขนาดของโพรโตซว แตมบางความคลน
ทพชไมไดใช อยางเชน สเขยว จงสะทอนเขาสตาเรา ทาใหมองเหนใบไมเปนสเขยว ทงนคลนแมเหลกไฟฟาในแต
ละชวงความยาวคลนมการนาไปใชประโยชนและนาไปประยกตใชแตกตางกนไปตามความเหมาะสม ทงในดาน
การแพทย วศวกรรมชวการแพทย อตสาหกรรมการสอสาร และทางดานนาโนเทคโนโลย
ของไหลในทอระดบจลภาคในธรรมชาตและชวตประจาวน
เมอป ค.ศ. 1950 เครองพมพแบบหมกพน (inkjet) ไดถกคดคนขน เปนนวตกรรมทอาศยพนฐานของของ
ไหลระดบจลภาคของหลอดบรรจสซงมขนาดเลกมากสาหรบใสหมกพมพ (Hansell, 1950) ซงใชหลกการเดยวกบ
- 94 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
ของไหลระดบจลภาคในธรรมชาต รวมทงในสงมชวตเกอบทกชนด เชน มนษย สตว และพช ดงรปท 2 และเปน
แนวทางในการพฒนาเทคโนโลยเครองพมพมาถงปจจบน
รปท 1. สเปกตรมของคลนแมเหลกไฟฟาทความยาวคลนแตกตางกนเปรยบเทยบกบขนาดของโครงสราง
(Ballachey, 2014)
รปท 2. ตวอยางของไหลระดบจลภาคทอยในชวตประจาวน (a) โครงขายทอลาเลยงในใบไม (Söderbergh, 2016);
(b) หลอดเลอดในปกแมลง (Katifori, 2017); (c) หลอดเลอดในระบบรางกายมนษย (Beane, 2014)
และ (d) หมกพมพ (Horváth, 2017)
- 95 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
การบรณาการระหวางแสงและของไหล
แสงมคณสมบตเปนไดทงคลนและอนภาค คณสมบตทแสดงวาสงนนเปนคลนคอ การสะทอน การหกเห
การเลยวเบน และการแทรกสอดไดของแสง สวนความเปนอนภาคสามารถพสจนไดจากปรากฏการณโฟโตอเลก-
ทรก (photoelectric effect) เกดขนไดเมอแสงตกกระทบผวโลหะแลวทาใหอเลกตรอนอสระทอยบรเวณผวโลหะ
หลดออกจากโลหะได และปรากฏการณคอมปตน (Compton effect) เกดขนเมอแสงชนกบอะตอมหรออเลกตรอน
แลวทาใหความถของแสงทชนมคานอยกวาเดมเนองจากการสญเสยพลงงานระหวางการชน (Attix, 1986)
ในปจจบนใยแกวนาแสง (fiber optic) มความสาคญตอระบบการสอสารเปนอยางมาก ใยแกวนาแสง
ประกอบไปดวยแกนใยแกว (core) และวสดหม (cladding) โดยอาศยหลกการสะทอนกลบหมดของคลนแสง
ปองกนการสญเสยสญญาณและสญญาณอนรบกวนไดด ทาใหใยแกวนาแสงกลายเปนนวตกรรมทนยมใชในดาน
การสอสารกนอยางแพรหลาย (Nouchi et al., 2012) แตววฒนการการสอสารไมไดหยดนงเพยงแคใยแกวนาแสง
ปจจบนไดมการใชของไหลเขามาเปนสวนหนงในการเปนตวนาสญญาณและนามาใชในการทาเลนส ดวยคณสมบต
ของไหลทแตกตางกบคณสมบตของแขง จงสามารถนาของไหลมาใชในการออกแบบอปกรณในทางทศนศาสตร
และระบบสอสารสมยใหมได โดยของไหลเชงแสงสามารถแบงไดเปน 3 กลมหลก คอ ของไหลในของแขง (fluids
in solids) ของไหลในของไหล (fluids in fluids) และสารแขวนลอยทอยในของไหล (solids in fluids)
1. ของไหลในของแขง
ความสมพนธระหวางของไหลกบของแขงสามารถนามาสรางเปนอปกรณของไหลเชงแสงได โดย
ออกแบบใหโครงสรางของแขงทมชองวางสาหรบบรรจของไหลมขนาดมากกวาความยาวของคลนแสง ชองวางน
อาจเปนรปทรงกระบอกกลวงหรอทรงสเหลยมกได เมอเตมของเหลว เชน น าเขาไปในชองวางของทอนาคลนนทา
ใหเกดการสะทอนและสงสญญาณแสงผานน า ถาสมมตใหขนาดของชองวางสาหรบของไหล ใกลเคยงกบความยาว
คลนแสง สญญาณทเกดขนจะมความซบซอนมากและทาใหเกดปรากฏการณ blazed grating ในของเหลว ซงเปน
รปแบบการสะทอนของแสงชนดหนงททาใหประสทธภาพการสะทอนแสงไดดเปนผลใหแสงมพลงงานมากขน
(Psaltis et al., 2006)
ความสมพนธระหวางวสดสองชนดทมคณสมบตของแสงแตกตางกนน เปนผลดตอการทาใหแสง
แพรกระจาย (propagation) ในทอนาคลน เชน อากาศกบปรซมแกวสามารถแยกแสงทตามมองเหนออกเปนสตาง ๆ
ได เนองจากมมตกกระทบตางกน นอกจากนตวอยางสาคญและสามารถพบไดในทอนาคลนใยแกวนาแสง (fiber-
optic waveguide) คอการสะทอนกลบหมดของแสงระหวางรอยตอของวสดหมกบแกน ซงคาดชนหกเหของแกน
มากกวาดชนหกเหของวสดหม (Psaltis et al., 2006) เมอไมนานมาน Karasawa et al. (2012) ไดออกแบบเสนใยโฟ
โตนคครสทล (photonic crystal fibers: PCF) โดยกาหนดเงอนไขทโครงสรางเฉพาะ Λ= d+0.1 µm เพอศกษา
คณสมบตการแพรกระจายของแสงโดยใชวธสมาชกจากด (finite element method: FEM) ในขณะท Park et al.
- 96 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
(2014) แสดงผลการวเคราะหเชงตวเลขของทอนาคลนเสนใยโฟโตนคครสทลแบบแกนของไหล (liquid-core
photonic crystal fibers: LCPCF) โดยการเตมของเหลวทมคาดชนหกเหตาลงในชองวางตรงกลางทอนาคลน จากรป
ท 3(a) และ (b) แสดงระยะทเตมอากาศเขาไป อตราสวน d/Λ ท d = 1.5 µm และเสนผานศนยกลางของร d/Λ= 0.8
ซงเหมาะกบของเหลวในแกนของทอนาคลน ในรปท 4 (b) แกนของเหลวทเหมาะสมกบความยาวคลน 0.5 µm เมอ
d < 0.856 µm สาหรบบวทานอล d < 0.612 µm สาหรบเอทานอล และ d < 0.508 µm สาหรบน า ผลปรากฎวาดชน
หกเหของของเหลวทเหมาะสาหรบแสงซงเขาไปในแกนของเหลวทภาวะพนฐานอยในชวงดชนหกเห 1.30-1.44
และยงวเคราะหโดยการเปลยนของเหลวในแกนกลาง ไดแก นา (H2O) เอทานอล (C2H5OH) และบวทานอล
(C4H10O) เพอดการแพรกระจายของแสง โดยเฉพาะแกนทเปนน าของ LCPCF จากผลการทดลองในรปท 4 เปนการ
แพรกระจายของแสงในตวกลาง 3 ชนด คอ น า เอทานอล และบวทานอล ทอณหภมหอง ทความดนบรรยากาศ โดย
น ามคาดชนหกเหนอยทสด ในขณะทบวทานอลมคาดชนหกเหมากทสด
รปท 3. (a) แผนภาพแกนของเหลวของทอนาคลนเสนใยโฟโตนคครสทลแบบแกนของไหล (LCPCF) (b)
ภาพตดขวางแกนของเหลว (c) แถบสเปกตรมดชนหกเหของแกนและวสดหมทมแกนเปนของเหลว (Park
et al., 2014)
- 97 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
รปท 4. ระยะทสเปกตรมแผเขาไปใน LCPCF จากระยะ 0.5-1.5 µm สาหรบน า เอทานอล และบวทานอล
(a) อากาศทเตมเขาในอตราสวน (d/Λ) ในชองทมเสนผานศนยกลาง d = 1.5µm (b) ชองทมเสนผานศนยกลาง
สาหรบเตมอากาศทอตราสวน d/Λ = 0.8 (c) กาลงในแกนทเปนน าโดยการเปลยนคาอตราสวน d = 1.5µm และ
(d) เปลยนอตราสวนเสนผานศนยกลางของรท d/Λ =0.8 (Park et al., 2014)
2. ของไหลในของไหล
โดยทวไปของไหลกบของไหลหากมความหนาแนนใกลเคยงกนจะสามารถรวมตวกนได แตถาความ
หนาแนนของของไหลตางกนจะรวมตวกนไมได เชน น ากบน ามน นอกจากนความหนาแนนยงมความสมพนธกบ
ความเรวแสง ถาตวกลางมความหนาแนนมาก แสงจะเดนทางไดชา ในปจจบนไดมการศกษาและออกแบบทอนา
คลนทมแกนของเหลวกบวสดหมของเหลว (liquid core/liquid cladding) ของเหลวทาหนาทเสมอนวสดหมทเปน
ของแขงหอหม (Fan et al., 2016; Wolfe et al., 2004) ในป ค.ศ. 2004 Wolfe et al. ไดศกษาและออกแบบทอนาคลน
แบบสวตซเชงแสง (optical switch) ในลกษณะการไหลแบบเปนชน (laminar flow) โดยกาหนดใหวสดหมเปนน าท
มดชนหกเห n = 1.335 และแกนของทอนาคลนเปนแคลเซยมคลอไรด (CaCl2) มดชนหกเห n = 1.445 ไหลอย
ภายในทอทมขนาดเลกระดบไมโครเมตรทาจากพอลไดเมทลซโลเซน (polydimethylsiloxane: PDMS) มคาดชน
หกเห n = 1.40 เนองจากน าเปนของไหลมการขยายตวนอย และไมมผลตอคณสมบตเชงกลของ PDMS จงถก
เลอกใชในการศกษา ทงน CaCl2 เปนแกนของทอนาคลนมดชนหกเหมากกวา PDMS การทดลองนเพอศกษา
ประสทธภาพของทอนาคลนแบบภาวะเดยว (single mode) และภาวะผสม (multimode)
- 98 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
อกกรณหนงในการใชแกนและวสดหมเปนของไหลโดยเลอกใชแกมมาบวทโรแลคโทน (gamma-
butyrolactone: GBL) ทมดชนหกเห n =1.4341 เปนแกน และใชน ามนซลโคน (silicone oil) มดชนหกเห n =1.401
เปนวสดหมในกรณการสรางไดอเลกโทรโฟรซส (dielectrophoresis) คอการใหแรงกระทาตออนภาคทเปนกลาง
ทางไฟฟา จนเกดปรากฏการณโพลาไรเซชน (polarization phenomenon) ในสนามไฟฟาไมสมาเสมอ (non-uniform
electric field) หรอสนามไฟฟาทปรบคาไดกระทาตออนภาคกอใหเกดโมเมนตขวค (dipole moment) เกดแรงดง
หรอแรงผลกใหอนภาคเคลอนทเรยกแรงทกระทาตออนภาคนวาแรงไดอเลกโทรโฟรตก (dielectrophoretic force)
เพอศกษาการแพรกระจายและการสญเสยของแสงอนเนองจากการใชแกนและวสดหมเปนของเหลวทงสองชนดน
เปนทอนาคลน (Fan et al., 2016) ดงตวอยางในรปท 5 โดยออกแบบใหมแผนแกวขนาบทงสองดานของทอนาคลน
เพอนาไปใชประโยชนทางดานเทคโนโลยชวภาพ หรอ ทางดานอน ๆ ทเกยวของกบเซลล (Demircan et al., 2013;
Negr & Cavallini, 2017)
รปท 5. แผนภาพของทอนาคลนทมแกนและวสดหมเปนของไหล (a) แกน GBL มดชนหก 1.4341 และวสดหม
ททาจากน ามนซลโคนมดชนหก 1.401 (b) ภาพตดขวางของไดอเลกโทรโฟรซส (Fan et al., 2016)
3. สารแขวนลอยในของไหล
สารแขวนลอยในของไหล คอ อนภาคของแขงขนาดเลกระดบไมโครเมตรหรอนาโนเมตร ทอยในระบบ
ของไหลเชงแสงและมผลทาใหคณสมบตเชงแสงบางอยางของตวกลางมการเปลยนแปลงไป จากรปท 6 ลกษณะ
- 99 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
ของทอนาคลนแบบของไหลเปนแกนและเปนวสดหม (liquid core/ liquid cladding)โดยทแกนมคาดชนหกเห
มากกวาวสดหม ในระบบของไหลทงสองชนดน แสงทาหนาทในการแยกอนภาคทดชนหกเหมากกวาเคลอนทไป
บรเวณแกนของทอนาคลน ในขณะเดยวกนอนภาคทมคาดชนหกเหนอยกวาเคลอนทแยกไปยงบรเวณวสดหม แรงท
กระทาตออนภาคทงสองชนดเปนไปดงรปท 7 และแสดงดงสมการท (1)
รปท 6. แผนภาพแสดงแกนของไหลและวสดหมของทอนาคลนในการแยกอนภาคออกจากกน (Lee et al.,
2012)
รปท 7. แผนภาพของแรงกระทาตออนภาคทมดชนหกเหแตกตางกนคอ อนภาคสน าเงน (low refractive
index particle) มคาดชนหกเหนอยกวาอนภาคสแดง (high refractive index particle) (Lee et al., 2012)
- 100 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
vradpnet FFdtUdmF
+== (1)
pm คอ มวลของอนภาค และ U
คอ เวกเตอรความเรวของอนภาค เมอ radnet FF
และ vF
คอ แรงลพธท
กระทาตออนภาค แรงในการแผรงสและแรงดงเนองจากความหนดของของไหลกระทาตออนภาคตามลาดบ โดยท
UrF pv pµ6=
(2)
เมอ µ คอ ความหนดของของไหล และ pr คอ รศมของอนภาค พจารณารปท 7 โดยอาศยกฎการเคลอนทของนวตน
สามารถแยกสมการการเคลอนทเปนแนวแกน x และแนวแกน y ดงน
−−= U
dtdxrF
dtxdm psp pµ62
2 (3)
dtdyrF
dtydm pgp pµ62
2−= (4)
โดยท Fs และ Fg คอ แรงกระเจงและแรงเกรเดยนต ตามลาดบ ซงจากรปท 7 พบวาการทอนภาคเคลอนทดวย
ความเรวคงตวไปตามแกนหรอวสดหมของทอนาคลนนนขนอยกบทศทางของแรงเกรเดยนต Lee et al. (2012) ได
แสดงวธการคานวณแรงกระทาและการเคลอนทของอนภาคเนองจากแกนและวสดหมเปนของไหลทมดชนหกเห
แตกตางกนทาใหทศทางการเคลอนทของอนภาคตางกนดวย
การพฒนาเทคโนโลยของไหลเชงแสง
ปจจบนเทคโนโลยมความกาวหนามากขน สามารถผลตอปกรณและเครองมอขนาดเลกทเหมาะสมกบการ
ใชงานและสะดวกในการพกพา รวมทงมประสทธภาพในการทางานไดอยางแมนยาสง ทาใหระบบปฏบตการทเคย
ใชอยในหองปฏบตการขนาดใหญ ถกยอสวนใหสามารถใชในหองปฏบตการขนาดเลกได ซงเปนเครองมอท
สามารถนาไปใชวเคราะหไดหลากหลายสาขาทงดานการแพทย วศวกรรม เทคโนโลยชวภาพ รวมถงศาสตรอน ๆ ท
เกยวของ
- 101 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
1. ดานเทคโนโลยชวภาพ
ในการใชเครองมอหรออปกรณจดการกบสงทมขนาดเลก การหลกเลยงการเกดความเสยหายแกชน
ตวอยางหรอเซลลเหลานนเปนสงททาไดยาก แตในปจจบนเทคโนโลยและนวตกรรมมความกาวหนามากขน จง
สามารถใชแสงในการหนบและดงสาย DNA ใหคลายออกจากกนได โดยมโปรตนพรออน (Prion protein: PrP) อย
ตรงกลางของสาย DNA ดงรปท 8 ในป ค.ศ. 1997 Ashkin ไดนาเสนอเทคนคการใชแสงในการขบเคลอนอนภาค
เรยกวาคมหนบเชงแสง โดยการใชแสงทมปลายลาแสงขนาดเลกหนบหรอดงอนภาคขนาดเลกระดบไมโครเมตร
หรอนาโนเมตรอยางเชน เซลลเมดเลอดแดงใหเคลอนทไปตามทตองการ (Miccio, 2015) เทคนคนนยมใชกนมาก
ในดานโมเลกล เนองจากการหนบดวยแสงไมทาใหเซลลหรอโมเลกลเกดความเสยหาย อนเนองจากแรงทมทศทาง
ตงฉากกบทศทางการแพรของลาแสง แรงทงสองนมผลทาใหเกดการดดกนหรอผลกใหอนภาคเคลอนทไดขนอยกบ
อทธพลของแรงเกรเดยนตหรอแรงกระเจงทมคามากกวากน ถาแรงเกรเดยนตมากกวาจะทาใหอนภาคนนถกดดเขา
หาลาแสง แตถาแรงกระเจงมากกวาสงผลใหแสงเกดการผลกอนภาคนนเคลอนท (Suwanpayak et al., 2011)
รปท 8. ลกษณะของคมหนบเชงแสงทใชในการคบโมเลกล (Neupane et al., 2016)
2. ดานพลงงาน
Erickson et al. (2011) ไดรวบรวมงานทเกยวของกบการใชของไหลเชงแสงในแงการผลตพลงงาน
แสงอาทตย เพอแสดงศกยภาพของเครองมอขนาดเลกของของไหลเชงแสง รปท 9 แสดงกระบวนการเกบพลงงาน
แสงอาทตยโดยเลยนแบบกระบวนการสงเคราะหแสงหรอถกกระตนดวยกระบวนการทางชวเคม ถงหมกชวภาพเชง
แสง (photobioreactor: PBR) เปนกระบวนการผลตน ามนโดยการเลยงสาหรายหรอจลนทรยในทอหรอหลอดแกว
แบบเปด จลนทรยสามารถเคลอนทและเจรญในทอหรอหลอดแกวโดยการรบแสงอาทตย พรอมกบแกส
คารบอนไดออกไซดเขมขน และสารอาหารตาง ๆ ทจาเปน จลนทรยจะใชพลงงานแสงอาทตยในการเปลยนแกส
- 102 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
คารบอนไดออกไซดและน าเปนเชอเพลงเอทานอลหรอเชอเพลงไฮโดรคารบอน จากนนจลนทรยจะขบน ามนและ
สามารถสกดออกดวยเทคโนโลยการแยกสารทางชวภาพ ซงถากระบวนการดงกลาวเปนไปตามทนกวจยคาดหวง
กนไว การผลตน ามนเชอเพลงนจะเปนการเปลยนแปลงครงใหญสาหรบอตสาหกรรมเชอเพลงชวภาพ (Chen et al.,
2011)
รปท 9. (a) แผนภาพแสดงการผลตเชอเพลงทไดจากกระบวนการสงเคราะหดวยแสงของสาหราย
(b) แสดงการสงเคราะหดวยแสงของสาหรายทเกดขนบรเวณพนผวทอ (Erickson et al., 2011)
3. ดานชวการแพทย
การใชแสงในทางการแพทยนนมหลายเทคนคดวยกน เชน การเอกซเรย การใชเลเซอรทาลายเนอเยอหรอ
เซลลบางชนด ปจจบนนกวจยจงไดพยายามศกษาคนควาวธการสงกระแสประสาทจากอวยวะตาง ๆ ของรางกายไป
ยงสมอง จากความรเดมคอระบบประสาทจะสงผานการรบรทางกระแสประสาทเหมอนการสงกระแสไฟฟาโดยม
ประจบวกและประจบเคลอนทไปตามเสนประสาทเพอสงการรบรไปยงสมอง การสอสารทางระบบประสาทใน
สงมชวต เปนระบบสอสารทมความซบซอนและมความรวดเรวในการรบรไดสง Shin et al. (2016) ไดศกษาและใช
ใยแกวนาแสงเหนยวนาอณหภมของแสงในสมองของหน เพอออกแบบการทดลองสงลาแสงยงไปยงเปาหมายทลก
ระดบเซลลลงไปดวยความเขมแสงทเหมาะสม โดยสรางแบบจาลองการคานวณแบบมอนตคารโล (Monte Carlo:
MC) สาหรบทานายความรอนทเกดขนบนเนอเยอ ซงวดได 12.3 mV/ ºC ในการศกษานชวยใหการออกแบบการ
ทดลองเกยวกบพนธศาสตรเชงแสงบรเวณสมองเนอเทา (gray matter: GM) มประสทธภาพมากขน
- 103 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
ตารางท 1. คณสมบตเชงแสงทใชในการคานวณแบบมอนตคารโล
ความยาวคลน (nm) µs (mm-1) µa (mm-1) g บรเวณสมอง ชนดเซลลรบแสง
473 11.5 0.50 0.89 GM ChR2
532 10.5 0.25 0.89 GM C1V1
593 9.6 0.14 0.89 GM eNpHR3.0
(Shin et al., 2016)
จากตารางท 1 แสดงคณสมบตเชงแสงในการใชแบบจาลองการคานวณแบบมอนตคารโลโดย µs คอ
สมประสทธการกระเจงของสารทอยในสมองเนอเทา (GM) ทความยาวคลน 473, 532 และ 593 nm และ µa คอ
สมประสทธการดดกลนของสารทอยในสมองทความยาวคลนเดยวกน การใชแบบจาลองในทดลองเพอหา
ผลกระทบของความรอนทเกดจากแสง ชวยใหการประเมนการทดลองจรงไดงายและไมมผลตอหนทดลอง
4. ดานเซนเซอร
การนาของไหลเชงแสงไปประยกตดานการทาเซนเซอร มนกวจยจานวนมาก (Song et al., 2014; Testaa et
al., 2013; White et al., 2006; Lim et al., 2011; Liu et al., 2012) ไดนาไปใชในการตรวจจบสารชวโมเลกล โปรตน
หรอกรดนวคลอก เนองจากของไหลเมอมสงมชวตเซลลเดยวปนเปอนอยจะทาใหดชนหกเหหรอการสงผานลาแสง
มการเปลยนแปลงไป หลกการทาเซนเซอรคอสงผานมวลโมเลกลไปยงบรเวณพนทตรวจจบ ของไหลเชงแสงมการ
นาไปใชทางดานชววทยาและชวเคม เนองจากเปนอปกรณทแสงมปฏกรยากบตวอยางทเปนของไหลเหลาน ไม
เฉพาะทางกายภาพเทานนแตยงมผลตอจานวนการเปลยนแปลงของแสงในอปกรณอกดวย ซงอปกรณทางแสงทใช
ในการทาเซนเซอรสวนใหญจะใชวงแหวนสนพอง (ring resonator) ซงเรยกวาวงแหวนสนพองของไหลเชงแสง
เซนเซอร (optofluidics ring resonator sensor) ภายในวงแหวนสนพองจะเปนแกนของไหล (liquid core ring
resonator: LCORR) โดยใชทอแกวขนาดเลกสาหรบของไหล จากนนสงตวอยางผานทอแกวนและตรวจจบการ
เปลยนแปลงของคาดชนหกเหทผวดานใน เซนเซอรชนดนนาไปใชเพอตรวจจบสารกอมะเรง และคาการ
เปลยนแปลงทางชวเคมอน ๆ (Testaa et al., 2013; White et al., 2006; Lim et al., 2011)
ดงนนการใชของไหลเชงแสงในการทาเซนเซอรสามารถวดคาการเปลยนแปลงไดหลากหลาย เชน ดชน
หกเห การสงผานของแสง ความยาวคลน และความรอนทเกดขนในระบบของไหลเชงแสง สวนการนาไป
ประยกตใชงานดานตาง ๆ ไมสามารถสรางแบบเชงเดยวไดจงตองอาศยคณสมบตทางไฟฟา ทางเคม ทางแสง และ
ของไหลรวมกน จงจะทาใหอปกรณนนทางานไดอยางมประสทธภาพ
- 104 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
รปท 10. ผลของการปรบเปลยนทางไฟฟาของวงแหวนสนพองเชงแสง (a) การปรบเปลยนวงแหวนสนพองดวยตว
ทาความรอนระดบไมโครเมตร โดยวดคาจากการสงผานความตางศกยของทอนาคลนทประยกตใชทาความรอน
โดยความยาวคลนทใหไปอยในชวงมลลวตต และ (b) ความยาวคลนสนพองทอยกบคาความตางศกยของตวทาความ
รอนระดบไมโครเมตร โดยจดและเสนทบเปนการวดคาจากการทดลองและทางทฤษฎ ตามลาดบ (Soltani et al.,
2012)
สรปและขอเสนอแนะ
ของไหลเชงแสงคอศาสตรทผสมผสานระหวางของไหลระดบจลภาคกบแสง สาหรบสรางหองปฏบตการ
บนชพโดยอาศยคณสมบตของของไหลและแสงททางานรวมกน เพอศกษาคณลกษณะของของไหลระดบจลภาค
และทศนศาสตรเชงลก ของไหลเชงแสงในระบบทศนศาสตรถกสงเคราะหดวยของไหล ของไหลเปนหนวยหนงท
มคณสมบตไมเหมอนกบของแขง และคณสมบตของไหลเชงแสงนสามารถนามาใชในการออกแบบอปกรณ
สมยใหม ของไหลเชงแสงสามารถแบงออกเปน 3 กลมหลก คอ ของไหลในของแขง ของไหลในของไหลและสาร
แขวนลอยทอยในของไหล ปจจบนเทคโนโลยของไหลเชงแสงมการประยกตใชไดหลากหลาย เชน ดานการแพทย
วศวกรรมศาสตร เทคโนโลยชวภาพ และการประยกตเซนเซอร เปนตน สาหรบประเทศไทยไดมการนาเทคโนโลย
ทางดานแสงมาใชงานหลายดานเพอชวยแกปญหาทางวทยาศาสตรและเทคโนโลยท เ กยวกบการเกษตร
อตสาหกรรม และการแพทย ดงนนความรดานเทคโนโลยแสงทางชวภาพ มสวนสาคญในการพฒนาเครองมอและ
สรางชดตรวจวดคาตาง ๆ และมการประยกตใชงานในระบบของไหลจลภาค (Sumriddetchkajorn et al., 2012;
Chaitavon et al., 2013) แตการใชงานยงมนอยมากโดยเฉพาะการนามาสรางหองปฏบตการบนชพ (lab-on chip)
เนองจากตนทนในการศกษาคอนขางสง อกทงยงขาดนกวจยและผเชยวชาญทางดานนอกดวย
- 105 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
เอกสารอางอง
Ashkin, A. (1997). Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers. Proceedings of the
National Academy of Sciences of the United States of America, 94, 4853-4860.
Attix, F. H. (1986). Gamma-and X-ray interactions in matter, Introduction to radiological physics and radiation
dosimetry (1st ed.) pp. 124-159. Weinheim: John Wiley & Sons. doi: 10.1002/9783527617135.ch7
Ballachey, G. (2014). Sunlight Series: Part 3 – The Electromagnetic Spectrum. Retrived October 10, 2017, from
http://sustainablebalance.ca/electromagnetic-spectrum/
Beane, S. (2014). Body Worlds – The Art of Preservation. Retrived October 20, 2017, from https://newbiescience
wordpress.com/2014/09/26/body-worlds-the-art-of-preservation/
Chaitavon, K., Sumriddetchkajorn, S. & Nukeaw, J. (2013). Simple microfluidic chip structure for an alignment-
free Young interferometry-based refractometer. RSC Advances, 3, 23470-23473. doi:10.1039/C3
RA44009E
Chen, C. Y., Yeh, K. L., Aisyah, R., Lee, D. J. & Chang, J. S. (2011). Cultivation, photobioreactor design and
harvesting of microalgae for biodiesel production: A critical review. Bioresource Technology, 102(1),
71-81. doi: 10.1016/j.biortech.2010.06.159
Colladon, D. (1842). On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream. Comptes Rendus 15, 800-
802.
Demircan, Y., Özgür, E. & Külah H. (2013). Dielectrophoresis: Applications and future outlook in point of care.
Electrophoresis, 34(7), 1008-1027. doi: 10.1002/elps.201200446
Erickson, D., Sinton, D. & Psaltis, D. (2011). Optofluidics for energy applications. Nature Photonics, 5, 583-590.
doi:10.1038/nphoton.2011.209
Fan, S. K., Lee, H. P., Chien, C. C., Lu, Y. W., Chiu, Y. & Lin, F. Y. (2016). Reconfigurable liquid-core/liquid-
cladding optical waveguides with dielectrophoresis-driven virtual microchannels on an
electromicrofluidic platform. Lab on a Chip, 16(5), 847-854. doi: 10.1039/c5lc01233c
Flores-Flores, E., Torres-Hurtado, S. A., Páez, R., Ruiz, U., Beltrán-Pérez, G., Neale, S. L. et al. (2015). Trapping
and manipulation of microparticles using laser-induced convection currents and photophoresis.
Biomedical Optics Express, 6(10), 4079-4087. doi: 10.1364/BOE.6.004079
Hansell, C. W. (1950). Jet sprayer actuated by supersonic waves. Patent US2512743. Retrived September 14,
2017, from https://www.google.com/patents/US2512743
- 106 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
Horváth, T. (2017). A set of ink for refilling inkjet printers. Retrived October 20, 2017, from
https://www.dreamstime.com/stock-photos-set-ink-refilling-inkjet-printers-image26537493
Karasawa, N. (2012). Dispersion properties of liquid-core photonic crystal fibers. Applied Optics, 51(21), 5259-
5265. https://doi.org/10.1364/AO.51.005259
Katifori, E. (2017). Architecture of vascular networks. Retrived October 10, 2017, from http://www.pbo.ds.mpg.
de/Research.html
Kayani, A. A., Khoshmanesh, K., Ward, S. A., Mitchell, A. & Kalantar-zadeh, K. (2012). Optofluidics
incorporating actively controlled micro and nano-particles. Biomicrofluidics, 6(3), 031501-1-031501-32.
https://doi.org/10.1063/1.4736796
Lee, K. S., Yoon, S. Y., Lee, K. H., Kim, S. B., Sung, H. J. & Kim, S. S. (2012). Optofluidic particle manipulation
in a liquid-core/liquid-cladding waveguide. Optics Express, 20(16), 17348-17358. https://doi.org/10.
1364/OE.20.017348
Lim, J. M., Urbanski, J. P., Thorsen, T. & Yang, S.-M. (2011) Pneumatic control of a liquid-core/liquid-cladding
waveguide as the basis for an optofluidic switch. Applied Physics Letters, 98, 044101-1-044101-3.
https://doi.org/10.1063/1.3535979
Liu, P., Huang, H., Cao, T., Tang, Z., Liu, X., Qi, Z., Ren, M. & Wu, H. (2012). An optofluidics biosensor
consisted of high-finesse Fabry-Pérot resonator and micro-fluidic channel. Applied Physics Letters, 100,
233705-1-233705-4. https://doi.org/10.1063/1.4726188
Miccio, L., Memmolo, P., Merola, F., Netti, P. A. & Ferraro, P. (2015). Red blood cell as an adaptive optofluidic
microlens. Nature Communications, 6, Article ID 6502, 7 pp. doi: 10.1038/ncomms7502
Negr, F. & Cavallini, A. (2017). Effect of dielectrophoretic forces on nanoparticles. IEEE Transactions on
Dielectrics and Electrical Insulation, 24(3), 1708-1717. doi: 10.1109/TDEI.2017.006347
Neupane, K., Manuel, A. P. & Woodside, M. T. (2016). Protein folding trajectories can be described
quantitatively by one-dimensional diffusion over measured energy landscapes. Nature Physics, 12, 700-
703. doi: 10.1038/nphys3677
Nouchi, P., Sillard, P. & Molin, D. (2012). Optical fibres. In H. Venghaus & N. Grote (Eds.), Fibre Optic
Communication (2nd ed.) pp. 55-97. Heidelberg: Springer-Verlag.
Pang, L., Chen, H. M., Freeman, L. M. & Fainman, Y. (2012). Optofluidic devices and applications in photonics,
sensing and imaging. Lab on a Chip, 12(19), 3543-3551. doi: 10.1039/c2lc40467b
- 107 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
Park, J., Kang, D.-E., Paulson, B, Nazari, T. & Oh, K. (2014). Liquid core photonic crystal fiber with low-
refractive-index liquids for optofluidic applications. Optics Express, 22(14), 17320-17330. https://doi.
org/10.1364/OE.22.017320
Psaltis, D., Andreas, E. V. & Jae, W. C. (2016). Optofluidics of plants. APL Photonics 1, 1(2), 020901-1-020901-
11. https://doi.org/10.1063/1.4947228
Psaltis, D., Quake, S. R & Yang, C. (2006). Developing optofluidic technology through the fusion of
microfluidics and optics. Nature, 442(7101), 381-386. doi: 10.1038/nature05060
Ronellenfitsch, H. & Katifori, E. (2016). Global optimization, local adaptation and the role of growth in
distribution networks. Physics Review Letters, 117(13), 138301-1-138301-5. https://doi.org/10.1103/
PhysRevLett.117.138301
Shin, Y., Yoo, M., Kim, H.-S., Nam, S.-K., Kim, H.-I., Lee, S.-K. et al. (2016). Characterization of fiber-optic
light delivery and light-induced temperature changes in a rodent brain for precise optogenetic
neuromodulation. Biomedical Optics Express, 7(11), 4450-4471. doi: 10.1364/boe.7.004450
Söderbergh, I. (2016). Cells work tightly together to form the water-conducting vascular tissue of plants. Retrived
October 10, 2017, from https://phys.org/news/2016-02-cells-tightly-water-conducting-vascular-
tissue.html
Soltani, M., Inman, J. T., Lipson, M. & Wang, M. D. (2012). Electro-optofluidics: achieving dynamic control on-
chip. Optics Express, 20(20), 22314-22326. https://doi.org/10.1364/OE.20.022314
Song, J., Lin, J., Tang, J., Liao, Y., Hea, F., Wanga, Z., et al. (2014). Fabrication of an integrated high-quality-
factor (high-Q) optofluidic sensor by femtosecond laser micromachining. Optics Express, 22(12),
14792-14802. doi: 10.1364/OE.22.014792
Sumriddetchkajorn, S., Chaitavon, K. & Nukeaw, J. (2012). A free-space interferometric refractometer structure
with simple microfluidic chips. IEEE Sensors Journal, 12(2), 404-409. doi: 10.1109/JSEN.2011.
2159969
Suwanpayak, N., Jalil, M. A., Teeka, C., Ali, J. & Yupapin, P. P. (2011). Optical vortices generated by a PANDA
ring resonator for drug trapping and delivery applications. Biomedical Optics Express, 2(1), 159-168.
https://doi.org/10.1364/BOE.2.000159
Testa, G., Persichetti, G., Zeni, L., Sarro, P. M. & Bernini, R. (2013). Optofluidics: a new tool for sensing. pp.
879402-1-879402-6. In The Fifth European Workshop on Optical Fibre Sensors (Proceedings of SPIE
vol. 8794), 19-22 May 2013, Krakow, Poland. doi: 10.1117/12.2026027
- 108 -
The Journal of Applied Science Vol. 16 No. 2: 92-109 [2017] วารสารวทยาศาสตรประยกต doi: 10.14416/j.appsci.2017.11.002
White, I. M., Oveys, H. & Fan, X. (2006). Liquid-core optical ring-resonator sensors. Optics Letters, 31(9), 1369-
1321. https://doi.org/10.1364/OL.31.001319
Wolfe, D. B., Conroy, R. S., Garstecki, P., Mayers, B. T., Fischbach, M. A., Paul, K. E. et al. (2004). Dynamic
control of liquid-core/liquid-cladding optical waveguides. Proceedings of the National Academy of
Sciences of the United States of America, 101(34), 12434-12438.
Zhu, H., Mavandadi, S., Coskun, A. F., Yaglidere, O. & Ozcan, A. (2011). Optofluidic fluorescent imaging
cytometry on a cell phone. Analytical Chemistry, 83(17), 6641-6647. doi: 10.1021/ac201587a
- 109 -